半导体物理和器件物理基础

第二章半导体物理和器件物理基础2.1半导体及其基本特性2.2半导体中的载流子2.3pn结2.4双极型晶体管2.5MOS场效应晶体管•为什么有的材料能够导电？•为什么有的材料不能导电？•为什么有的材料能半导电？导体：例如Au、Ag、Cu、Al等；~电子能够自由运动——有自由电子。绝缘体：例如水晶、金刚石、SiO2、Si3N4等；~电子不能自由运动——没有自由电子。半导体：例如Si、Ge、GaAs、GaN、InP等；~电子能否自由运动？——有无自由电子？通常金属的电导率为106-104（）-1，绝缘体的电导率小于10-10（）-1，电导率在104-10-10（）-1之间的固体称为半导体。半导体和金属的区别在于半导体中存在禁带，金属中没有；半导体和绝缘体要根据禁带宽度和电导率的温度特性加以区分。cmcmcm——可用能带理论来解释：绝缘体的能带价带导带（禁带宽度）导体的能带导带价带半导体的能带价带导带（禁带宽度）半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaP、ZnS半导体的主要特点（1）在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加（2）半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在掺杂情况下，温度对电导率的影响较弱（3）在半导体中可以实现非均匀掺杂（4）光的幅射、高能电子等注入可以影响半导体的电导率半导体的掺杂电子和空穴在半导体中如果共价键的电子能获得足够的能量，可以摆脱共价键的束缚，变为自由电子；这时共价键留下一个缺位，由于相邻共价键的电子可以随时转移到此空位，称可以移动的缺位为空穴。在半导体中的电子和空穴统称为载流子。常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中加入V族元素杂质时有一个价电子成为自由电子。一个V族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，这种杂质称为施主杂质，依靠电子导电的半导体为n型半导体。在硅中加入Ⅲ族元素杂质时向半导体提供一个空穴。一个Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴而本身成为带负电的离子，这种杂质称为受主杂质，依靠空穴导电的半导体为p型半导体。•为什么半导体掺杂以后能够很好导电？。。。。•为什么半导体需要提纯？。。。。。。。。。。•为什么半导体制造工艺中特别需要注意清洁度？施主杂质和受主杂质：对于Si~“施主”：P、As、Sb；“受主”：B、Al、Ga、In。特点：提供载流子；掺入杂质较难（高温扩散，离子注入）。有害杂质：例如Au、Cu、Fe等重金属元素；特点：减少载流子~“复合中心”→决定非平衡载流子寿命；这些杂质很容易混入。多数载流子和少数载流子：例如n型半导体~电子：多数载流子；空穴：少数载流子。导电特性L=1m,U=1V,T=300KE=U/L自由电子热运动平均速度107cm/s电子平均自由运动时间（弛豫时间）τn≈10-12s平均漂移速度EescmsmEEmqvnnnn/16/16.01010106.1301219*IEEEmqvnnnn*nvAe平均漂移速度电子的迁移率*nnnmq（1）从上式可以看出载流子浓度n和p均与电场强度E没有关系，载流子的平均漂移速度与场强成正比。（2）平均自由运动时间越长，迁移率越高决定平均自由运动时间的因素：（i）晶格散射（ii）电离杂质散射硅的迁移率与杂质和温度的关系:•高纯或低掺杂样品（杂质小于1017cm-3）晶格散射为主，T升高μ迅速减小。•掺杂浓度升高电离杂质散射影响逐步增加,μ随温度变化减缓。pnSi中的迁移率与掺杂浓度的关系Si中的迁移率与温度的关系半导体的漂移电流电流密度电子空穴电子电流密度空穴电流密度n是自由电子浓度，p是空穴浓度，电子迁移率空穴迁移率电子电导率空穴电导率总漂移电流密度EEpqjpppEEnqjnnnEEpqnqjjjpnpnpn)()(njpjnpnpEEqpnvqpnj)/()/(半导体的电导率载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动电子空穴总电导率n型：npp型：pnnnnqpppqpnpnpqnqnnnqpppqEnqjjnnEpqjjpp半导体材料电导率的决定因素：1）载流子浓度n，p2）载流子迁移率半导体电导率主要受温度和杂质浓度影响。通常，室温下，半导体掺杂浓度越高，电导率越大。np第二章半导体物理和器件物理基础2.1半导体及其基本特性2.2半导体中的载流子2.3pn结2.4双极型晶体管2.5MOS场效应晶体管一、能带理论1、原子能级与晶体能级1）能级（EnergyLevel）在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。用一条条高低不同的水平线表示电子的能级2）能带（EnergyBand）原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。共有化使能级发生扩展，扩展后的多个相邻很近的能级统称为能带。3）禁带（ForbiddenBand）允许被电子占据的能带称为允许带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。电子中是先占据原子壳层中的内层允许带，然后再向高能量的外面一层允许带填充。被电子占满的允许带称为满带。每一个能级上都没有电子的能带称为空带。4）价带（ValenceBand）原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。5）导带（ConductionBand）价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级Ec价带的顶能级Ev禁带Eg=Ec-Ev二、本征半导体与杂质半导体1）本征半导体结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。本征载流子浓度与温度的关系施主掺杂受主掺杂BAs2）杂质半导体半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。3）掺杂对半导体导电性能的影响半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，因此会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。Si中掺的B施主和受主浓度：ND、NA施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态宏观：热平衡条件下的载流子浓度电中性条件：p+ND–n–NA=0热平衡条件：np=ni2本征半导体(ND=NA=0)：n=p=nin型半导体(NDNA)：电子n=ND空穴p=ni2/NDp型半导体(NAND)：空穴p=NA电子n=ni2/NA热平衡状态：恒温稳定状态，且并无任何外来干扰，如照光、压力或电场。热平衡状态下，电子-空穴的产生和复合达到平衡，载流子浓度不变。微观：热平衡条件下的载流子浓度导带中的电子浓度可将电子浓度n(E)由导带底端Ec积分到顶端Etop：其中，n的单位是cm-3；gc(E)单位体积内允许的能态密度，材料固有特性；f(E)电子占据能量E的几率，温度的函数。topctopcEEcEEdEEfEgdEEnn)()()(——能带中的载流子浓度：Fermi能级本征半导体价带导带EFn型半导体价带导带EFp型半导体价带导带EFECEV热平衡时各种半导体性质的确定（1）重要的参量：EF费米能级•EF与温度、掺杂浓度等有关：•EF决定平衡载流子浓度：n0=NCexp[-(EC-EF)/kT]=niexp[(EF-Ei）/kT],p0=NVexp[-(EF-Ev)/kT]=niexp[(Ei-EF）/kT],本征载流子浓度:ni=pi=(NCNV)1/2exp(Ev-EC/2kT).材料的ni只与T相关。T越高，n，p，ni越大。)exp(00kTEENNpnVCVC（2）热平衡条件：•平衡时:nopo=NCNVexp(-Eg/kT)=常数ni2;平衡载流子浓度乘积只与温度T有关，与掺杂等因素无关！•非平衡时:noponi2或noponi2.•器件的最高工作温度:器件要能稳定工作,必须要本征载流子浓度比杂质所提供的载流子浓度低一个数量级左右.Si平面器件:应该ni5×1014cm-3→最高工作温度约是520K。Ge器件:最高工作温度是370K左右。GaAs器件:最高工作温度可达720K左右,适宜制造大功率器件。Nc、Nv是与温度有关的常数，称为电子和空穴的有效状态密度n-型Si载流子浓度与温度的关系1×10162×10167006005004003002001000T(K)平衡载流子浓度(cm-3)多子n0少子p0ni弱电离饱和区本征区ETEFEin-型半导体EF与温度的关系EcEvED温度T，热平衡状态下f(E)≈1表示此能级几乎总有电子占据，满带。f(E)≈0表示此能级上几乎没有电子，空带。波尔兹曼常数k。室温300K时，kT=0.026eV.E=EF，f(E)=0.5;费米能级处电子占有几率为1/2。EEF，f(E)0.5;E-EF=5kT=0.13eV,f(E)=0.007；费米能级以上，能级基本为空。EEF,f(E)0.5;E-EF=-5kT=-0.13eV,f(E)=0.993；费米能级以下，能级基本被电子占满。温度T，热平衡条件下电子浓度：n=NCexp[-(EC-EF)/kT]=niexp[EF-Ei)/kT]空穴浓度：p=NVexp[-(EF-EV)/kT]=niexp[Ei-EF)/kT]np=NCNVexp[-(Ec-EV)/kT]=ni2本征半导体：n=p本征费米能级半导体的本征费米能级基本上在禁带中线处cvvciNNkTEEEln22对于硅、锗等半导体，第二项小于第一项。温度T，热平衡条件下，n型半导体：电子浓度：n=niexp[(EF-Ei)/kT]≈ND空穴浓度：p=niexp[(Ei-EF)/kT]可忽略通常，NDni，n型半导体的费米能级高于Ei。掺杂浓度ND越高，导带电子越多，EFn越高。)ln(iDiFnNkTEEn温度T，热平衡条件下，p型半导体：电子浓度：n=niexp[(EF-Ei)/kT]可忽略空穴浓度：p=niexp[(Ei-EF)/kT]≈NA通常，NAni，p型半导体的费米能级低于Ei。掺杂浓度NA越高，价带空穴越多，EFp越低。)ln(iAiFnNkTEEp费米能级与温度及掺杂浓度关系曲线图例：Si在温度300K时ni=1.5*1010cm-3，掺杂浓度ND=1016cm-3,NA=1012cm-3；问：热平衡时的载流子浓度，以及费米能级相对于本征费米能级的位置。解：ND-NAni，电子为多子，构成n型半导体。电子浓度n≈ND=1016cm-3空穴浓度p≈ni2/ND=2.25*104cm-3费米能级相对位置:EFn-Ei=kTln(ND/ni)=0.026*ln(1016/(1.5*1010))=0.35eV例：求出在室温下掺磷浓度为1016cm-3的硅的电阻率，设μn=1300cm2.V-1.s-1。解:因为n≈ND=1016cm-3,所以ρ=1/nqμn=1/（1.6×10-19×1016×1300）=0.48Ω.cm.已知300K时的ni=1010cm-3,设在Si中掺入硼原子的浓度NA=1014cm-3，计算热平衡时的载流子浓